大型近海风力机台风极端气动荷载分析

摘要

随着当今社会科学技术的飞速发展，海上风电技术也发展到了一个新的高度。海上平均风速高，风速稳定，距电力中心距离近，对环境的影响小。中国的海上风能资源丰富，中国的大部分电力负荷中心集中在东部沿海地区。海上风电技术的发展可以有效缓解沿海地区的能源短缺，调整能源结构，改善气候变化。 随着风力机技术的发展，现在的风力机功率更大，叶片的尺寸也随之加大。大型风力机是典型的风敏感柔性结构，风荷载是其结构设计的控制荷载。对大功率风力机来说，台风的影响不容忽视。我国东南沿海地区是台风灾害的重灾区。因此，对比分析研究大型风力机结构在台风和良态风作用下的气动性能有着重要的理论意义和实际工程价值。 本文从从以下几个方面对台风下大型海上风力机气动性能进行了研究： （1）依据NREL5MW海上风力机的设计参数建立了风力机叶片的数值模型，基于CFD方法对建立的模型的气动性能进行了数值模拟，将结果和NREL5MW海上风力机模型的设计之进行对比，结果相差不大，验证了模型的有效性，为接下来进行进一步的研究打好基础。 （2）研究了处于台风的复杂风向条件下，NREL5MW风力机单叶片的气动性能响应；单叶片在台风作用下不同的停机姿态叶片结构所受荷载。得出了结论：桨矩角在0~180度范围内风载系数的变化规律与其在180度~360度范围内的变化规律具有显著的对称性。桨矩角在0~90度时，风载系数随角度的增加而逐渐增大，在90度时达到最大值，叶片风载系数达到一个极值桨矩角在90度~180度时，风载系数随角度的增大而逐渐减小，在180度时达到最小值。此外，叶片风载系数在270度桨矩角时所达到的另一个极值略小于90度桨矩角的极值，这主要是由于叶片各截面翼型上下表面不对称的原因。 （3）研究了处于台风的极端风速条件下，NREL5MW风力机典型停机故障情况下叶片的气动性能响应、典型变桨矩故障情况下叶片的气动性能响应。当变桨矩控制系统发生故障时，风力机承受荷载明显增加。当停机制动控制系统正常发挥作用时，风力机叶片结构受到的水平力减小。当停机制动控制系统出现故障，无法保证结构的安全性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况及发展趋势

1.2.1 世界海上风力机发展现状

1.2.2 我国海上风力机发展现状

1.2.3 风力发电机的分类

1.3 台风对海上风力机的荷载作用研究进展

1.3.1 台风相关研究进展

1.3.2 风力机叶片气动性能研究

1.3.3 台风对海上风力机的荷载作用研究进展

1.4 本文研究内容及技术路线

2 理论基础

2.1 Betz理论

2.2 涡流理论

2.3 BEM理论

2.4 计算流体力学方法（CFD）

2.5 本章小结

3 变桨矩控制系统正常运行工况模拟

3.1NREL 5MW海上风力机简介

3.2 变桨矩控制系统

3.3 建立几何模型及数值网格

3.3.1 风力机几何模型

3.3.2 计算域网格模型

3.4 正常运行工况模拟结果

3.5 本章小结

4风力机典型故障运行工况模拟

4.1 台风复杂风向对风力机叶片的影响

4.1.1 单叶片几何模型

4.1.2 台风复杂风向对风力机叶片数值模拟

4.2停机故障运行工况模拟

4.3变桨矩控制系统典型故障情况模拟

4.4典型故障运行工况与正常运行工况数值分析对比

4.5 本章小结

5结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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